城市生活垃圾焚烧锅炉蒸汽参数分析

城市生活垃圾焚烧锅炉蒸汽参数分析

章文学1 张晓忠2 徐盈盈1

  1.西子清洁能源装备制造股份有限公司 杭州 311199

2.杭州新世纪能源环保工程股份有限公司 杭州 311199

摘要：随着我国人口规模的不断增加及城镇化进程的推进，城市生活垃圾问题日益突出，给城市环境带来的负面影响日益凸显，垃圾处置成为亟待解决的问题。目前，我国大部分城市已建成一定规模的垃圾处理设施，其处理能力也在不断提高，但由于各种原因，在运行过程中存在着诸多问题。对垃圾焚烧锅炉蒸汽参数进行优化，不仅能提高其发电效率和经济效益，还关系到其运行稳定与安全。

关键词：城市；生活垃圾焚烧；锅炉；蒸汽参数

1城市垃圾量的增长现状

在我们国家，每人每天制造1.0到1.2公斤的垃圾。随着社会经济的发展，人们对生活环境的需求不断提高，生活垃圾产生量逐年增加，已经成为影响城市健康、可持续发展的一个重要因素。城市垃圾处理的主要方法有填埋、堆肥和焚烧3种。随着科学技术的进步，焚烧技术作为一种可同时实现减量化、无害化和资源化的垃圾处理技术，已成为我国部分城市垃圾处理的首选技术。数据显示，2022年全国城市固体垃圾清运量为2.48亿吨，同比增长5.77%，焚烧处理1.8亿吨，占比72.5%。国务院发布的《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》提出，到 2025 年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力达到 80 万吨/日左右，城市生活垃圾焚烧处理能力占比65%左右，随着国家对垃圾焚烧处理方式的重视程度逐渐提高，各地都在积极地规划与建设垃圾焚烧锅炉，利用这类锅炉逐步解决垃圾处理量的问题。

2提高城市生活垃圾焚烧锅炉蒸汽参数的措施

2.1外置式过热器

在垃圾锅炉附近建一小型燃油，或燃气，或余热锅炉，把垃圾锅炉的低温度蒸汽和燃油燃气锅炉的蒸汽一起在燃油燃气锅炉中进一步加热到更高的温度，再到汽轮机/发电机中发电。这样最终蒸汽温度不受氯腐蚀因素的限制。两个锅炉可以共用给水系统和其它辅助设备。

2.2自身锅炉的烟气再循环

垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀速率取决于受热面金属表面温度和燃料中氯的含量。采用烟气再循环能够降低炉膛内烟气的温度，降低辐射传热和炉膛水冷壁温度，因此降低对水冷壁的氯腐蚀。反过来说，利用烟气再循环可以提高水冷壁温度，也就是主蒸汽压力。烟气再循环还增加了锅炉里的烟气流量，增强了对流换热，对垃圾锅炉的对流受热面的设计是有利的。同时烟气再循环也有利于降低炉膛结焦和热力NOx的生成。虽然烟气再循环会增加初始投资和运行费用，但同时能减轻垃圾炉中氯腐蚀带来的极度限制，烟气再循环的好处大于它的负面影响。

2.3无氯锅炉烟气再循环

把以上的烟气再循环的手段再进一步的推进，如果大量的无氯或极低氯含量的烟气可以从邻近的其它锅炉的尾部再循环到垃圾焚烧锅炉的炉膛里，不但可以降低炉膛温度，同时可以降低烟气中氯的含量。假如我们利用再循环烟气和垃圾焚烧产生的烟气以1:1的比例在炉膛中混合，烟气中氯含量可以降到原来的一半，烟温也会有明显的降低(但要注意保证垃圾有2秒的时间在高于850℃的温度下燃烧，从而降低二噁英的生成)。要想把主蒸汽温度提高到500℃以上,这种显著降低氯腐蚀的手段是有必要的。

3经济成本分析

垃圾焚烧锅炉蒸汽参数的不同，对发电量、投资成本、运行成本均有影响。以下分别以甲、乙、丙3个垃圾焚烧厂(3×750 t/d)做经济成本对比，甲采用中温中压参数锅炉(4.0 MPa, 400 ℃),乙采用中温中压参数锅炉(4.0 MPa, 450 ℃),丙采用中温次高压参数锅炉(6.5 MPa, 450 ℃),按锅炉效率81%、垃圾热值6 800 kJ/kg计算，发电量对比如表1所示。

表1 发电量对比

根据表1数据，焚烧厂采用中温次高压参数(6.5 MPa, 450 ℃)比中温中压参数(4.0 MPa, 400 ℃)发电量提升10.61%,比中温中压参数(4.0 MPa, 450 ℃)发电量提升3.65%,发电收入更高，这是因为汽轮机热效率提高了。投资成本对比如表2所示。

表2 投资成本对比

蒸汽参数提高主要影响锅炉、汽轮机以及管道、阀门等附属设备的投资，焚烧炉设计虽然有变化，但钢材重量变化不大。根据表2数据，中温次高压参数机组比中温中压参数(4.0 MPa, 400 ℃)机组投资高出3 220万元，比中温中压参数(4.0 MPa, 450 ℃)机组投资高出1 620万元，提高蒸汽参数将需要更高的投资成本。估测的运行成本对比如表3所示。

表3 运行成本对比(估测)

根据表3数据，中温次高压参数机组运行维修成本比中温中压参数(4.0 MPa, 400 ℃)机组高392万元/a, 比中温中压参数(4.0 MPa, 450 ℃)机组高298万元/a, 主要原因是高温腐蚀造成的爆管停炉风险更高，受热面更换的成本也更高。提高蒸汽参数的同时也提高了设备的运行维修成本。垃圾焚烧厂运行年限按20 a考虑，乙厂、丙厂的总利润和甲厂相比见图1。

图1 乙厂、丙厂与甲厂总利润差变化

第20年，乙厂比甲厂多出总利润23 269.4万元，丙厂比甲厂多出总利润23 382.8万元，丙厂比乙厂多出总利润113.4万元。

虽然提高蒸汽参数造成设备投资和每年运行维护成本增加，但是也提高了垃圾焚烧厂的吨垃圾发电量和每年发电收入。垃圾焚烧厂设备运行年限较长，蒸汽参数提高带来的发电收入提高远大于投资和运维成本的增加，是具有可行性的。甲厂蒸汽压力和乙厂一致，甲厂蒸汽温度为400 ℃,乙厂提升为450 ℃,乙厂第20年总利润比甲厂多出23 269.4万元，蒸汽温度的提高是非常关键的因素。丙厂蒸汽温度和乙厂一样，乙厂蒸汽压力为4.0 MPa, 丙厂提升为6.5 MPa, 但是丙厂第19年总利润才超过乙厂，第20年总利润只比乙厂多出113.4万元，远小于乙厂比甲厂多出的总利润，可见蒸汽温度的提高对发电经济性的贡献大于蒸汽压力的提高。这是因为：乙厂蒸汽温度比甲厂高，使汽轮机热效率提高，发电收入增加远大于投资和运行成本增加；丙厂蒸汽压力比乙厂高，导致投资和运行成本大幅增加，基本抵消了发电收入增加。

4结语

为提高垃圾焚烧发电厂的运行效率与经济效益，对锅炉蒸汽参数进行优化设计是提高垃圾焚烧发电效率与经济效益的关键。在深入分析城市生活垃圾处理现状的基础上，提出了合理提高垃圾焚烧锅炉蒸汽参数、提高蒸汽温度对发电效益的贡献要大于增大蒸汽压力的贡献。

参考文献：

[1]李潮勇.流化床垃圾焚烧锅炉的现状与前景[J].科技创新导报,2019,16(13):137-138.

[2]张晓斌,戴小东,熊君霞等.垃圾焚烧发电项目余热锅炉中参数和高参数的对比分析[J].能源研究与信息,2018,34(04):195-201.